改性脲醛樹脂在高黎貢山隧道1號豎井注漿堵水中的應用

賈建波， 姚 暉， 周志輝

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511457； 2. 中國鐵路昆明局集團有限公司， 云南 昆明 650011； 3. 中鐵隧道集團三處有限公司， 廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著科技的發展，超前注漿加固及堵水技術在隧道施工中得到了普遍應用并迅速提升，有效解決了復雜地質條件下圍巖破碎和地下水豐富問題。國內鐵路、公路、礦建、水利等行業對超前注漿加固、堵水技術、注漿效果以及安全評估等方面均有較多研究[1-9]。例如廈門翔安海底服務隧道F1風化槽注漿堵水技術[1]、龍洲灣隧道富水地層注漿堵水施工技術及應用[2]、深圳益田淺埋暗挖地鐵隧道富水砂層注漿堵水技術[3]、齊岳山隧道富水溶槽注漿堵水技術[4]、太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術研究[5]、山東菏澤龍固煤礦大水工作面注漿堵水技術[6]等。但對于鐵路豎井施工豎向工作面注漿堵水技術研究較少，尤其是在閉合—微張裂隙且發育高壓裂隙水的花崗巖地層[10]中超前注漿技術研究更少。高黎貢山隧道地處我國西南地區的橫斷山脈末端，地層年代近、地震頻繁，受地質構造影響[11]，1號豎井施工揭示花崗巖裂隙豎向發育，閉合—微張，地下水發育且存在隨井深增加水壓成正比增加的特性，采用傳統注漿方式無法保證注漿效果。在高黎貢山隧道1號豎井超前注漿堵水施工過程中，通過多次方案對比和試驗，采用了改性脲醛樹脂，介紹了其在閉合-微張豎向裂隙、高壓富水花崗巖地層超前注漿中的應用及取得的效果。

1 工程概況

高黎貢山隧道是我國鐵路重點項目新建大理到瑞麗鐵路保山至端麗段的控制性工程，工程位于云南省龍陵縣，全長34.538 km。為加快施工進度并滿足運營期間運營通風、防災救援等需要，于D1K205+080附近設置1號豎井，采用主副井型式，主井井徑6 m，深762.59 m； 副井井徑5 m，深764.74 m。

受大氣降水及地表水影響，1號豎井巖層富水性較好，且沒有明顯的隔水層，出水方向、層位無規律，與井筒外側存在水力聯系，且有相對穩定的補給，水壓隨井筒深度成正比增加，預測井筒最大涌水量6 200 m3/d，最大靜水壓力7.6 MPa； 揭示地層巖性為混合花崗巖，巖體致密、塊狀、堅硬、局部破碎，陡傾狀裂隙發育，密閉—微張且充填高嶺土，具有分布不規律、上下連通性好的特點，顆粒狀注漿材料很難在裂隙中擴散。

主、副井分別施工至198.5、135 m時，鉆孔出水量分別達112、26 m3/h，嚴重影響施工。在主副井處相繼開展工作面注漿，但發現普通水泥漿難以注入。

2 注漿材料比選

2.1 普通水泥

1號豎井施工至井深130 m時，超前鉆孔及加深炮孔揭示掌子面前方地下水發育，水壓2 MPa，存在突水可能。隨后啟動工作面注漿，注漿材料選用普通水泥，水灰質量比1∶1～2∶1，注漿段高100 m，注漿壓力4～8 MPa，注入水泥漿300 m3，注漿后孔內剩余總水量4.6 m3/h，單段開挖后全井筒水量增加最高達17.2 m3/h。因井筒內空間限制及豎井施工工藝影響，井壁漏水大于10 m3/h，對井筒掘砌施工效率影響較大，本段注漿不能滿足現場施工需求。經分析主要原因為： 1號豎井所處區域為混合花崗巖，裂隙閉合—微張且充填高嶺土，普通水泥比表面積較大，易在裂隙內淤積，導致漿液擴散范圍較小，無法形成有效帷幕。

2.2 超細水泥

在井深200～600 m處開始采用超細水泥注漿，水灰質量比1∶1～2∶1，注漿段高60～80 m，注漿壓力為2～4倍靜水壓力。經更換注漿材料后，本段前期漿液注入量、注漿孔剩余水量、開挖后剩余水量得到有效控制。隨著井筒加深，靜水壓力由2 MPa增加至6 MPa，過程中雖將超細水泥由800目過渡到1 250目，但仍存在漿液注入量逐漸減小、剩余水量逐漸增大的情況，至井深600 m時，單段開挖后全井筒水量增加，最高達到18.6 m3/h，且副井在井深627 m處因突水造成淹井(突水量300 m3/h)，已無法滿足施工需求。經分析主要原因為：花崗巖風化形成粒徑更小的高嶺土在裂隙內堆積，顆粒性材料較難有效通過裂隙擴散，無法形成有效帷幕。

2.3 改性脲醛樹脂

2.3.1 成分組成

1)改性脲醛樹脂(簡稱A液)： 改性脲醛樹脂又稱脲甲醛樹脂，是一種聚合物注漿材料，是尿素和甲醛在加熱以及一定的酸堿度下合成反應為脲醛樹脂，其中一羥脲和二羥脲最多。

2)固化劑(簡稱B液)： 一般為草酸與水溶液，質量分數為5%。

2.3.2 材料特性

1)脲醛樹脂(UF)，又稱尿素甲醛樹脂，是尿素與甲醛在催化劑(堿性或酸性催化劑)作用下縮聚成初期脲醛樹脂，然后再在固化劑或助劑作用下形成不溶、不熔的末期熱固性樹脂。

2)改性脲醛樹脂滲透性較好，固化后收縮小，穩定性較好，強度可達5 MPa以上，pH為7.0～9.0，固體體積分數≥45%，游離甲醛體積分數≤0.8%(見表1)，凝結時間可根據現場實際情況通過調整配合比來達到。該材料具有黏度低、可注性好等特點，能注入到巖土層中的細小裂隙或孔隙中并形成良好的擴散充填，漿液初凝和固化時間具有較大的調節幅度，適用于礦井、巷道及隔水帶的堵水施工。

表1 脲醛樹脂材料性能指標

2.3.3 注漿機制

改性脲醛樹脂(A液)與固化劑(B液)按照一定配比充分攪拌混合后(見表2)，通過注漿泵進行超前注漿，漿液充填巖石裂隙、凝固并達到一定強度，最終將豎井工作面總水量控制在允許范圍內(滿足注漿結束標準)，滿足豎井施工注漿堵水要求。

表2 脲醛樹脂配比表(體積比2∶1)

2.4 性能對比及應用范圍

主、副井分別施工至198.5、135 m時，鉆孔出水量分別達112、26 m3/h，嚴重影響施工，在主副井處相繼開展工作面注漿。過程中發現普通水泥漿難以注入，經多次試驗、掘砌、再試驗、再掘砌，最終確定了將“有疑必探”調整為“有掘必探、先探后掘”、注漿材料為超細水泥漿的處理原則； 但隨著豎井深度的增加，超細水泥由最初的800目調整為1 250目，注入量仍逐漸減少，堵水效果變差。經專家會研討，1號豎井注漿采用以超細水泥為主，輔以改性脲醛樹脂補充注漿的注漿原則(不同材料性能見表3)； 隨著豎井深度的增加，靜水壓力逐步增大，超細水泥已無法注入，600 m之后全部采用改性脲醛樹脂注漿(不同注漿材料應用范圍見表4)[12]。

表3 注漿材料性能對比表

表4 不同注漿材料應用范圍統計表

3 注漿方案

3.1 鉆孔布置

每循環工作面注漿采用1圈孔布置，圈徑為4.6 m，主井26個孔、副井24個孔。單數孔(1序孔)長60 m，雙數孔(2序孔)長40 m。為最大限度揭穿裂隙，鉆孔軌跡設置15°切向角，孔底落于井筒荒徑外3 m。

3.2 注漿啟動標準

沿井筒4個方位選取4孔作為探水孔(1#、7#、13#、21#)，若單孔出水量大于2 m3/h，或4個探水孔預測工作面前方出水量超過10 m3/h，則啟動工作面注漿工作； 若單孔涌水量小于2 m3/h，或4個探水孔預測工作面前方出水量小于10 m3/h，則再施作4個探水孔(4#、10#、18#、24#)，若單個探水孔出水量大于2 m3/h，或4個探水孔預測工作面前方出水量超過10 m3/h，則啟動工作面注漿，若單孔涌水量小于2 m3/h，或4個探水孔預測工作面前方出水量小于10 m3/h，則結束探水，恢復井筒掘砌。豎井超前周邊注漿鉆孔如圖1所示，高壓注漿泵如圖2所示。

(a) 鉆孔立面布置圖

(b) 鉆孔平面布置圖

圖2 高壓注漿泵

3.3 注漿壓力

注漿壓力為2～4倍靜水壓力。

3.4 注漿結束標準

1)注漿壓力達到設計終壓，注漿流量20～25 L/min，并持續10 min以上。

2)注漿后單孔水量小于1 m3/h，各注漿孔總剩余水量小于5 m3/h。

3.5 注漿設備

根據高黎貢山隧道超深豎井靜水壓力隨井深增加而加大的特點，豎井工作面注漿選用MKQJ-120/40型潛孔鉆機，配φ50 mm鉆桿，φ90 mm牙輪沖擊鉆頭或三翼鉆頭，注漿泵采用3TGB型高壓注漿泵[13](見表5)。

表5 注漿主要設備

3.6 注漿工藝

3.6.1 注漿方式

豎井工作面注漿采用下行式壓入注漿方式。

3.6.2 鉆孔施工

在打鉆前，在φ108 mm孔口管上安設4″高壓球閥及防突水裝置，鉆進過程中，當鉆孔涌水量大于2 m3/h時，暫停鉆進，先注漿封水，并記錄鉆孔及注漿情況，鉆孔水量減少至2 m3/h以下時恢復鉆進直至終孔，終孔水量不得大于1 m3/h。

3.6.3 壓水試驗

注漿前對孔口管進行壓水試驗，用鉆機掃孔并超過孔口管0.5 m進行試壓，采用2倍靜水壓力進行耐壓抗滲試驗，壓水10～20 min不漏即為合格，合格后正常鉆進，否則注漿加固孔口管直到合格為止。同時可以沖洗巖石裂隙中的充填物，提高漿液結石體與巖石裂隙面的黏結強度及抗滲透能力[14]。

3.6.4 注漿

在注漿過程中，注漿壓力分為初期、正常及終壓3個階段變化，當初始質量濃度確定后，根據注漿壓力變化情況，及時控制注漿量，調整漿液質量濃度及凝膠時間等，使注漿壓力平緩升高，避免出現較大波動，直至達到注漿終壓和終量，并穩定10 min以上。

3.6.5 注漿工藝流程

注漿工藝流程見圖3。

4 注漿效果對比

采用改性脲醛樹脂注漿后，漿液注入量明顯增加，注漿孔掃孔后(注漿后復鉆)測定孔內剩余水量及開挖揭示水量明顯減小，能夠滿足現場施工要求，且注漿孔掃孔次數明顯減少(見表6)。改性脲醛樹脂注漿后漿液填充見圖4。

圖3 注漿工藝流程圖

表6 各段落注漿效果對比表

圖4 改性脲醛樹脂注漿后漿液填充

5結論及建議

在高壓富水閉合-微張且充填高嶺土花崗巖巖層中，使用改性脲醛樹脂作為注漿材料，其漿液注入量、注漿孔剩余水量、井壁漏水量較水泥基材料均有較大優勢，能夠更好地保證注漿效果，大大降低了豎井施工淹井的風險，確保了豎井施工安全； 同時，使用改性脲醛樹脂注漿減少了單孔復鉆復注次數，節約了鉆孔、注漿時間，工程建設工期可以得到保證。但該材料凝結強度不高，在地下水壓力較大的地層中需適當增加注漿壓力，使裂隙中有足夠厚度的凝結體以抵抗水壓，避免開挖時凝結體被地下水擊穿。

建議在高壓富水尤其是在閉合-微張花崗巖地層豎井施工中采用改性脲醛樹脂注漿，以確保注漿堵水效果，縮短工期。在材料選擇上，還需進一步調研無醛或低醛的改性脲醛樹脂材料，以有效改善現場作業環境。